西北太平洋海表溫度變化主成分分析*

吳 凡，方明強，管 磊

（中國海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島266100）

海表溫度（Sea Surface Temperature，SST）表征了海洋熱力、動力過程和海洋與大氣相互作用的綜合結(jié)果，是反映海－氣熱量、動力和水汽交換的重要參量［1］，是氣候變化的重要指征參數(shù)。自1980年代以來，厄爾尼諾事件的頻發(fā)對全球許多地區(qū)造成了嚴(yán)重災(zāi)害。以往研究顯示西北太平洋與厄爾尼諾及其西太暖池影響關(guān)系密切［2－3］。衛(wèi)星遙感能實現(xiàn)大面積的同步測量，具有較高的時間和空間分辨率，獲得的遙感SST有利于比較全面而又快速地了解包括厄爾尼諾等在內(nèi)的影響大洋表皮的海洋學(xué)現(xiàn)象［4］。目前已經(jīng)積累了約30a的衛(wèi)星遙感SST資料，在時空跨度和分辨率上已經(jīng)提供了使用一整套海表溫度數(shù)據(jù)研究海洋表層熱量變化模態(tài)發(fā)生發(fā)展的條件［5］，所以近些年來衛(wèi)星遙感SST得到了廣泛的的關(guān)注，如宋德海等［6］使用1985—2005年P(guān)athfinder SST資料對東中國海及毗鄰海域SST年際變化特征進行分析，發(fā)現(xiàn)這一海域的SST年際變化趨勢主要與海區(qū)的地形和水平環(huán)流相關(guān)，并對厄爾尼諾現(xiàn)象有7～9個月的滯后期；李云芳等［7］使用1984—2003年的AVHRR SST數(shù)據(jù)對東海海域海表溫度場進行分析，結(jié)果顯示出代表厄爾尼諾和黑潮、對馬暖流、伸入黃海的高鹽暖水舌的各種空間模態(tài)和時間演變情況。目前基于衛(wèi)星遙感資料對我國海域SST變化的研究的時間尺度大多在20a以內(nèi)，對研究氣候變化來說較短；空間上大多針對特定局部海區(qū)，覆蓋我國全部海域的西北太平洋SST變化的研究較少。本文通過對衛(wèi)星海表溫度資料進行質(zhì)量控制、校正、融合、氣候?qū)W平均等一系列處理，生成高空間分辨率的近30a西北太平洋海表溫度數(shù)據(jù)集。鑒于年際變化及年內(nèi)變化的分析已經(jīng)較多，本文基于該數(shù)據(jù)集分析SST變化中的主要成分的時空模態(tài)特征，對SST的趨勢性、年代際變化特征及其原因、類厄爾尼諾現(xiàn)象與Ni珘no－3.4指數(shù)的關(guān)聯(lián)性等較低頻的海洋熱動力現(xiàn)象進行初步探討。

1 數(shù)據(jù)介紹及處理

SST的基礎(chǔ)資料來源于基于NOAA系列極軌衛(wèi)星攜帶的高分辨率輻射計（AVHRR）數(shù)據(jù)的Pathfinder V5.2系列的1982—2010年海表溫度產(chǎn)品，空間范圍10°N～50°N，105°E～145°E，空間分辨率為4km，為了避免日變化影響使用每天夜晚平均數(shù)據(jù)。將SST場插值以便進行EOF分解。原始數(shù)據(jù)由于云漏檢等原因，不能覆蓋全部區(qū)域，且有噪聲，故采用NOAA國家氣候數(shù)據(jù)中心發(fā)布的日平均最優(yōu)插值SST數(shù)據(jù)［8］（Reynolds）進行質(zhì)量控制，該數(shù)據(jù)空間分辨率為0.25（°）×0.25（°），1982—2002年數(shù)據(jù)為對 AVHRR數(shù)據(jù)進行優(yōu)化插值得到的結(jié)果，2002—2010年數(shù)據(jù)為AVHRR和AMSRE數(shù)據(jù)的融合結(jié)果。

對Pathfinder和Reynolds數(shù)據(jù)分別進行月平均并插值到1（°）×1（°）網(wǎng)格，使用 Reynolds數(shù)據(jù)對Pathfinder數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制，剔除差值的絕對值大于5℃的數(shù)據(jù)；用Reynolds數(shù)據(jù)填充無數(shù)據(jù)點。將處理前后的Pathfinder月平均SST與Reynolds SST月平均數(shù)據(jù)進行比較，經(jīng)處理平均偏差由0.13℃減小為0.10℃，標(biāo)準(zhǔn)偏差由0.61℃減小為0.43℃，數(shù)據(jù)精度提高。根據(jù)氣候?qū)W數(shù)據(jù)（Pathfinder V5.0系列產(chǎn)品的氣候?qū)W月平均數(shù)據(jù)，空間分辨率為4km）計算SST月距平場，得到包括月平均SST場、SST距平（SST anomaly，SSTA）場（348個月，包含689個有效數(shù)據(jù)點）的近30a西北太平洋海表溫度數(shù)據(jù)集。

2 西北太平洋SST變化主成分分析

2.1 EOF計算

將SSTA場進行EOF分解，分別得到時間和空間序列按特征值大小排列的特征向量分布，表1為前5個模態(tài)的方差貢獻，前3個模態(tài)的累積方差貢獻率達到68.62%，可以代表原始場的主要特征，其中第一模態(tài)方差貢獻率為53.78%，代表了原始場的最主要特征，本文中僅對第一模態(tài)進行分析。由于厄爾尼諾信號周期主要為3～7a［9］，為了提取海表溫度的類厄爾尼諾信息及研究年際變化等低頻變化特征，需要去除季節(jié)和年信號等高頻信號的干擾，于是對第一時間模態(tài)進行2a低通濾波。

表1 西北太平洋SST前5個模態(tài)方差貢獻率Table 1 The eigenvalues of the first five eigenvectors for EOF

2.2 模態(tài)分析

2.2.1 第一模態(tài)分析 第一模態(tài)解釋了總方差的53.78%，反映了西北太平洋近30a的主要分布特征和變化趨勢。圖1為第一模態(tài)空間分布，從圖中可以看出第一模態(tài)的量值在整個海區(qū)均為正值，說明西北太平洋海區(qū)的增溫、降溫在此模態(tài)中是同位相的。從空間分布看，黃海、東海長江口海域和南海北部珠江口海域SST振幅量值較大。這可能是由于這些海域存在入海河流，陸地淡水和海水混合強烈，隨著河流沖淡水的外推［6］，呈現(xiàn)出一種類扇狀分布，特別是在徑流較大的長江口附近這種分布最為明顯。

圖2為第一模態(tài)時間序列及最小二乘線性擬合，可以看到近30a西北太平洋海表溫度雖然有幾次較大的起伏，但長期的線性趨勢是上升的，這可能和當(dāng)前全球暖化相關(guān)。第一模態(tài)時間序列的幾個最高值明顯和1982—1983年、1986—1987年、1997—1998年和2009年等幾次較強厄爾尼諾事件有關(guān)，并且?guī)缀蹙浜笥贜i珘no－3.4指數(shù)約10個月（參見圖5、6）。

圖1 西北太平洋海表溫度EOF分解第一模態(tài)的空間分布等值線Fig.1 The spatial pattern of the first mode of EOF for SST in the Northwest Pacific，contours in degrees

圖2 西北太平洋海表溫度EOF分解第一模態(tài)時間序列曲線Fig.2 The temporal curves for the first mode of EOF for SST in the Northwest Pacific

為了研究信號的主要周期／頻率成分，在去除第一模態(tài)時間序列的長期線性趨勢后進行傅里葉和Morlet小波頻譜分析。如圖3為第一時間模態(tài)傅里葉和小波頻譜，存在比較典型的約13a和2～5a的主要周期成分，這2個模態(tài)是西北太平洋最顯著的時間模態(tài)。值得注意的是，周期約2～5a的類厄爾尼諾信號的周期是不穩(wěn)定的，在1997年前后發(fā)生比較明顯的漂移（見圖4）。

2.2.2 第一時間模態(tài)與 Ni珘no－3.4指數(shù)比較分析 為了研究西北太平洋SST與厄爾尼諾事件的關(guān)聯(lián)，將第一時間模態(tài)與 Ni珘no－3.4指數(shù)進行比較分析。Ni珘no－3.4指數(shù)來自 NOAA Earth System Research Laboratory發(fā)布的 Ni珘no區(qū)海表溫度月時間序列（http：／／www.esrl.noaa.gov／psd／gcos＿wgsp／Timeseries／）。

Ni珘no－3.4指數(shù)通常用來指針厄爾尼諾／拉尼娜事件強度［9］，將 Ni珘no－3.4指數(shù)與第一模態(tài)時間序列進行比較。去除Ni珘no－3.4指數(shù)的長期線性趨勢后進行傅里葉和Morlet小波頻譜分析（見圖3），存在典型的2～5a周期成分，小波頻譜形態(tài)上與第一時間模態(tài)較為相近，尤其是在約3.3a和約5.3a周期信號分布上。根據(jù)Trenberth等［10］的研究，厄爾尼諾周期大致為3～7a，將第一模態(tài)時間序列與 Ni珘no－3.4指數(shù)分別濾波，保留2～8a周期信號進行比較，并去除長期線性趨勢（見圖5），二 者 在 1982—1983、1986—1987、1997—1998、2009—2010等幾次重要厄爾尼諾／拉尼娜事件前后似乎存在明顯關(guān)聯(lián)。為此，計算了二者信號的時滯相關(guān)系數(shù)（見圖5）。第一模態(tài)時間序列與滯后約10個月的Ni珘no－

3.4 指數(shù)具有很好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)最大，達77.34%。

可見在Ni珘no區(qū)海溫達到最大異常值后約10個月，西北太平洋SST的第一主模態(tài)達到最大值。這可能表明，赤道東太平洋Ni珘no區(qū)異常海溫信號傳遞到西北太平洋大約需要10個月，這與杜華棟等［11］（6～10個月）、宋德海等［6］（7～9個月）的研究結(jié)果接近。由此可見，Ni珘no－3.4指數(shù)對西北太平洋海溫預(yù)估有一定意義。第一模態(tài)時間序列2～5a周期信號的變化與Ni珘no區(qū)指數(shù)在Morlet小波頻譜形態(tài)上相似，加之二者在厄爾尼諾／拉尼娜信號頻段內(nèi)較高的時滯相關(guān)性，說明Ni珘no區(qū)域的海溫變化是西北太平洋SST變化在2～5a時間尺度上的重要調(diào)控因子。

圖3 傅里葉頻譜Fig.3 The Fourier spectrums

圖4 小波頻譜Fig.4 The wavelet spectrums

圖5 第一模態(tài)時間序列與Ni珘no－3.4區(qū)指數(shù)對比Fig.5 The first mode time series，compared with the Ni珘no－3.4index

圖6 圖5中2組數(shù)據(jù)的時滯相關(guān)系數(shù)Fig.6 The lead－lag correlation coefficients of the two data series in Fig.5

2.2.3 第一時間模態(tài)與西太平洋暖池序列比較分析

西太平洋暖池鄰近西北太平洋地區(qū)，與ENSO、熱帶氣旋有緊密關(guān)系［3，12－14］，對東亞大氣環(huán)流和我國氣候有重要影響［2，15］，因此將第一時間模態(tài)與西太平洋暖池海表溫度序列進行比較。太平洋暖池海表溫度月時間序列來源為 NOAA Earth System Research Laboratory（http：／／www.esrl.noaa.gov／psd／data／correlation／pacwarm.data），該時間序列為SST最優(yōu)插值的EOF第一模態(tài)時間序列，時間范圍為1982—2010年，空間范圍60°E～170°E，15°S～15°N。

對西太平洋暖池時間序列去除長期線性趨勢后進行傅里葉和Morlet小波頻譜分析，如圖7、8，頻譜中存在4個主要信號：約13a、6～7a、3～4a和2～3a周期信號，其中3～4a和2～3a周期成分與張啟龍等［16］對1950—1998年西太平洋暖池SST場時間特征的研究結(jié)果基本相同。約13a周期相當(dāng)?shù)湫?，結(jié)合圖8、圖4a可以看到約13a周期信號與第一時間模態(tài)比較相近，中心頻率／周期成分幾乎相同。說明西太平洋暖池在約13a周期上和西北太平洋有某種關(guān)聯(lián)。對西太平洋暖池海表溫度時間序列和第一模態(tài)時間序列分別進行8a低通濾波，去除類厄爾尼諾信號（見圖9），二者的變化趨勢基本一致，反映了西太平洋暖池和西北太平洋在年代際周期上基本同步。

綜上，西北太平洋海表溫度在2a以上周期信號的變化過程中，可能至少受到厄爾尼諾／拉尼娜事件和西太暖池年代際變化的影響；由于氣候變化的復(fù)雜性，亦可能受到二者的相互作用的影響。

圖7 西太平洋暖池時間序列傅里葉頻譜Fig.7 The Fourier spectrum of the detrended West Pacific Warm Pool time series

圖8 西太平洋暖池時間序列小波頻譜Fig.8 The wavelet spectrum of the detrended West Pacific warm pool time series

圖9 第一模態(tài)時間序列與西太暖池時間序列對比Fig.9 The first mode time series is compared with the West Pacific Warm Pool time series

3 結(jié)論

本文對西北太平洋近30a衛(wèi)星海表溫度產(chǎn)品進行月平均、質(zhì)量控制和數(shù)據(jù)融合等處理，對月距平場進行經(jīng)驗正交函數(shù)分解，分析時空模態(tài)特征，分別與相關(guān)氣候指數(shù)進行比較，主要結(jié)論為：

（1）西北太平洋近30aSST呈升高趨勢，存在顯著的～13a和2～5a模態(tài)。

（2）西北太平洋SST的年代際變化和西太平洋暖池的年代際變化形態(tài)相關(guān)；2～5a周期變化與 Ni珘no－3.4區(qū)指數(shù)相關(guān)，且相對于厄爾尼諾／拉尼娜事件具有～10個月的滯后。

本文對全面理解西北太平洋海表溫度變化的支配因子具有一定參考價值。其他模態(tài)將在后續(xù)研究中繼續(xù)深入。

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